一种改性污泥基水热炭及用于污泥脱水后焚烧的用途

本发明资源环境与能源利用领域，具体涉及一种改性污泥基水热炭及用于污泥脱水后焚烧的用途。

背景技术：

污泥主要指来自污水厂污水处理过程所产生的污泥，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥的主要特性是含水率高、有机物含量高、易腐化发臭、颗粒较细且比重较小，呈胶状液态。它是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵运输，但它很难通过沉降进行固液分离。污泥作为污水处理的副产物，富集了污水的污染物质和营养物质，源头上具有“资源”和“污染”双重属性。2019年我国污泥产量已超过6000万吨(含水率80％)，预计2025年我国污泥年产量将突破9000万吨。但是，由于我国长期以来“重水轻泥”，污泥处理处置没有与污水处理同步提升，污泥处理处置问题未能得到有效解决，我国每年产生的大量污泥中，约3000万吨污泥没有得到妥善安置，形势十分严峻。

污泥不正确处置有诸多危害：污泥所含高浓度有机物易腐化发臭，对大气及植物的生长造成影响；污泥为微生物、病原体的滋生提供了场所，直接施用或弃置可能会污染食物链；污泥中的盐分会直接影响土壤的电导率，破坏植物养分平衡，抑制植物对养分的吸收；污泥会散发出臭气和异味，污染物颗粒会造成大气、土壤污染；污染物经水浸泡、溶解伴随污水流入河道，会污染自然水体。

目前国内外常见的污泥处置方式有厌氧消化、好氧发酵、热干化深度脱水焚烧和建筑材料利用等，其中焚烧具有减容率高、处理速度快、有效灭活病原体、资源化利用程度高等优点，是目前公认最彻底的污泥处置方法。现有污泥焚烧技术可分为两大类，一类是将脱水污泥干化后再焚烧，另一类是将脱水污泥添加辅助燃料后再直接焚烧。污泥含水率过高会导致烟气量增大，降低焚烧炉热效率、增大烟气处理系统磨损。脱水困难、含水率高、投资大、焚烧热值低等问题是制约污泥焚烧技术发展的瓶颈问题。

因此，亟需提供一种有效降低污泥含水率，增加燃烧热值，充分考虑污泥的“资源”和“污染”双重属性，实现环境、经济和社会效益的最大化的方法。

基于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改性污泥基水热炭及用于污泥脱水后焚烧的用途。

本发明上述目的通过如下技术方案实现：

一种改性污泥基水热炭，通过如下方法制备：

步骤s1，将壳聚糖接枝至聚丙烯酰胺上得到水溶性有机絮凝剂壳聚糖接枝聚丙烯酰胺chi-g-pam；

步骤s2，取适量污泥浓缩池产生的污泥经板框压滤机脱水得到脱水污泥；

步骤s3，将脱水污泥与1.0～5.0wt.％chi-g-pam混合后经高压柱塞泵输送至两段式连续式水热反应釜，在预热区升温后，进入水热反应区，以250～500℃水热反应10～30min；

步骤s4，水热反应后，混合产物经集气、换热、冷却后，选用适宜的疏水性有机溶剂，萃取分离获得生物质油组分，进一步液固分离、干燥后获得所述改性污泥基水热炭。

优选地，所述chi-g-pam制备方法为：

步骤s1，使用油浴保持40℃的恒温条件，避光锥形瓶中将3g壳聚糖搅拌加入150ml1w/v％醋酸水溶液中，过程中用氮气净化；

步骤s2，溶液搅拌30min，加入1ml0.058mm的硝酸铈铵引发剂和3ml光引发剂(v50)，使壳聚糖主链上产生初级自由基，接枝丙烯酰胺(am)，引发剂预处理5min，抑制pam均聚物的形成；

步骤s3，边搅拌边加入9gam单体使壳聚糖与丙烯酰胺的质量比为1:3，置于紫外-微波感应装置(微波功率：100-1000w，频率：2450mhz，电源功率：1500va，紫外波长范围：290nm-400nm，灯管功率：100w)，照射时间设置为30min，进行聚合反应；

步骤s4，将形成的凝胶以15wt％溶解在超纯水中，然后在丙酮-乙醇体积比为2:1混合溶液中多次沉淀水溶液聚合物胶体，使用超纯水过滤洗涤；

步骤s5，将纯化后固体产品转移至培养皿中，将培养皿置于65℃真空烤箱中烘24h后研磨过50目筛子可得到固体chi-g-pam。

优选地，步骤s2中脱水污泥的含水率控制在70～85wt.％。

优选地，步骤s2中取5.0～15.0wt.％污泥浓缩池产生的污泥。

优选地，步骤s3中在预热区升温至80～120℃后，进入水热反应区。

优选地，步骤s3中水热反应区升温速率为10～25℃/min。

优选地，步骤s4中所述疏水性有机溶剂为四氯化碳或乙酸乙酯。

上述改性污泥基水热炭用于污泥脱水后焚烧的用途，具体方法为：将所述改性污泥基水热炭、1.0～5.0wt.％chi-g-pam与步骤s2中污泥浓缩池的剩余污泥混合改性后进入板框压滤机深度脱水，再进行后续焚烧处理。

有益效果：

1、本发明制备的改性污泥基水热炭粒径均匀、晶型稳定、制备方法简单快捷、成本低，不仅能通过脱水、解聚使水热炭孔径、比表面积和介孔数量增加，排水通道的增加用于污泥深度脱水以改善脱水性能、降低污泥含水率，同时还增加脱水污泥热值，能提高污泥的焚烧发电效益；

2、本发明制备改性污泥基水热炭时还可获得富氢合成气和生物柴油，过程中加入5.0wt.％chi-g-pam可有效促进水热液化反应，提高水热炭产率和热值，提高絮凝效率，增加可燃气体和生物柴油产出；富氢合成气和生物柴油燃烧可用于补偿系统外部热源热值消耗；

3、本发明提供的技术方案首次提出以污水厂剩余污泥为原料，以亚临界水为媒介，在水热液化条件下形成具有高热值、高透水性的改性污泥基水热炭并用于污泥改性焚烧发电的用途，可以达到以经济有效的方式同步实现剩余污泥高效减量、无害化处理及资源化利用的目的，属于废物协同处理和资源化利用方面的创新。

附图说明

图1为改性污泥基水热炭用于污泥脱水后焚烧的工艺流程图；该工艺涉及生化池1、闸阀2、污泥浓缩池3、絮凝剂储存罐4、污泥调理大池5、板框压滤机6、污泥调理小池7、chi-g-pam储存罐8、高压柱塞泵9、换热器10、水热反应釜11、闪蒸器12、油分萃取分离器13、小型焚烧炉14、焚烧发电厂15；其中，板框压滤机6的滤液出口与污泥浓缩池3上清液出口和换热器10出水口相连回流至生化池1，闪蒸器12液相产物通过油分萃取分离器13后生物柴油进入小型焚烧炉14焚烧为换热器10提供热量，废液进入换热器10利用余热将污泥预热，闪蒸器12固相产物与chi-g-pam储存罐8出口产物混合后与污泥调理大池5出口相连至板框压滤机6，焚烧发电厂15输送一部分电力至水热反应釜11补偿热值损失。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体介绍本发明实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。

图1为改性污泥基水热炭用于污泥脱水后焚烧的工艺流程图。

实施例1：壳聚糖接枝聚丙烯酰胺(chi-g-pam)制备

步骤s1，使用油浴保持40℃的恒温条件，避光锥形瓶中将3g壳聚糖搅拌加入150ml1w/v％醋酸水溶液中，过程中用氮气净化；

步骤s2，溶液搅拌30min，加入1ml0.058mm的硝酸铈铵引发剂和3ml光引发剂(v50)，使壳聚糖主链上产生初级自由基，接枝丙烯酰胺(am)，引发剂预处理5min，抑制pam均聚物的形成；

步骤s3，边搅拌边加入9gam单体使壳聚糖与丙烯酰胺的质量比为1:3，置于紫外-微波感应装置(微波功率：100-1000w，频率：2450mhz，电源功率：1500va，紫外波长范围：290nm-400nm，灯管功率：100w)，照射时间设置为30min，进行聚合反应；

步骤s4，将形成的凝胶以15wt.％溶解在超纯水中，然后在丙酮-乙醇体积比为2:1混合溶液中多次沉淀水溶液聚合物胶体，使用超纯水过滤洗涤；

步骤s5，将纯化后固体产品转移至培养皿中，将培养皿置于65℃真空烤箱中烘24h后研磨过50目筛子可得到固体chi-g-pam。

实施例2：改性污泥基水热炭的制备，chi-g-pam按实施例1方法制备

步骤s1，将污泥浓缩池3产生的剩余污泥10.0wt.％经板框压滤机6脱水得到脱水污泥，含水率测定为76.34wt.％；

步骤s2，将脱水污泥与实施例1制备的chi-g-pam(5.0wt.％)混合后经高压柱塞泵9输送至两段式连续式水热反应釜11，在换热器10升温至85℃后，进入水热反应区，以15℃/min的速率升温至450℃，水热反应30min；

步骤s3，水热液化反应后，混合产物经集气、换热、冷却后，选用四氯化碳(也可以用乙酸乙酯)，萃取分离获得生物质油组分，进一步液固分离、干燥后获得水热炭。

实施例3：水热炭掺杂污泥的制备，其中：chi-g-pam按实施例1方法制备，改性污泥基水热炭按照实施例2方法制备

步骤s1，将改性污泥基水热炭和chi-g-pam均匀分散于经板框压滤机6初次压滤产生的剩余污泥中，污泥含水率测定为76.34wt.％，chi-g-pam在污泥中的添加比例为5.0wt.％；

步骤s2，将待处理污泥经高压柱塞泵9输送至板框压滤机6，经压滤、液固分离、卸渣后获得水热炭掺杂污泥。

实施例4：无水热炭掺杂污泥制备

步骤s1，将经板框压滤机6初次压滤产生的剩余污泥含水率进行检测，值为76.34wt.％；

步骤s2，将待处理污泥经高压柱塞泵9输送至板框压滤机6，经压滤、液固分离、卸渣后获得无水热炭掺杂污泥。

实施例5：聚丙烯酰胺(pam)掺杂污泥制备

步骤s1，将聚丙烯酰胺(pam)均匀分散于经板框压滤机6初次压滤产生的剩余污泥中，污泥含水率测定为76.34wt.％，pam在污泥中的添加比例为5.0wt％；

步骤s2，将待处理污泥经高压柱塞泵9输送至板框压滤机6，经压滤、液固分离、卸渣后获得聚丙烯酰胺(pam)掺杂污泥。

实施例6：三氯化铁和氢氧化钠掺杂污泥制备

步骤s1，将实施例2中的chi-g-pam改为氢氧化钠，添加比例为5.0wt.％制备氢氧化钠改性水热炭；

步骤s2，将氢氧化钠改性水热炭和三氯化铁均匀分散于经板框压滤机6初次压滤产生的剩余污泥中，污泥含水率测定为76.34wt.％，三氯化铁在污泥中的添加比例为5.0wt％；

步骤s2，将待处理污泥经高压柱塞泵9输送至板框压滤机6，经压滤、液固分离、卸渣后获得三氯化铁和氢氧化钠掺杂污泥。

实施例7：产油率测定

使用超临界co2萃取法分别测定实施例3、4和6中制备的成品污泥的产油率。

步骤s1，将三种成品污泥称取10.0g粉碎标记，将污泥均匀放入萃取釜内，装置密封；

步骤s2，萃取釜压力为25mpa，温度设置45℃，co2流量设置为8kg/h，萃取时间2h；

步骤s3，萃取结束后将分离罐内油分倒出装瓶称重，多次测量降低误差。

实施例8：氢气化效率测定

使用气相色谱仪分别测定实施例3、6中污泥水热液化产生合成气中的氢气含量，计算氢气化效率。

步骤s1，将两种成品污泥称取5.0g标记，经水热反应釜11反应20min后使用带有三通阀门的25ml一次性注射器收集20ml气体样品；

步骤s2，以氩气为载气，使用配有热导率检测器(tcd)的1690气相色谱仪(gc)检测气体组分；

步骤s3，记录进气前后标气气体组分数据和两个样品气体的特征峰峰面积，经计算后得到气体氢气化效率。

污泥产油率和氢气化效率测量结果如表1所示，添加chi-g-pam的污泥样品在产油率上略低于添加了氢氧化钠的样品，但在氢气化效率方面要优于添加氢氧化钠的样品，两者的产油率与未掺杂水热炭的污泥相比要更高。

表1

污泥产油率和氢气化效率的测定结果可证实chi-g-pam或氢氧化钠的掺杂有利于蒸汽重整和水气转换反应，利于氢气和生物质油的产生，实施例3污泥表现出较强的促进富氢合成气生成的能力，可能与壳聚糖中所含有大量羟基、羧基和氨基有关。

实施例9：污泥焚烧发电应用

使用氧弹量热法分别测定实施例3、4中制备的成品污泥的燃烧热值。

步骤s1，取两种成品污泥各2.0g压片标记，将试样压片放入坩埚，坩埚装在坩埚架上；

步骤s2，在充氧装置上充氧，压力为2.8-3.0mpa，充氧时间不少于15s；

步骤s3，将氧弹装至内筒氧弹架上，盖好桶盖，打开自动热量计使用计算机记录精确数据，多次测量降低误差。

测量结果如表2所示，从该测定结果可以看出添加改性污泥基水热炭的剩余污泥燃烧热值更高，有更好的燃烧效果。

实施例10：污泥脱水率测量

使用《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(gb/t24602-2009)中cj/t221标准重量法分别测定实施例3、4和5中制备的成品污泥的脱水率。

步骤s1，将三种成品污泥各20g放入称至恒重的蒸发皿中于水浴上蒸干，置于103-105℃烘箱中烘至恒重。

步骤s2，记录三种成品污泥减少的重量，以百分率计算污泥脱水率。

污泥脱水率测量结果如表2所示，添加了改性污泥基水热炭的剩余污泥与未掺杂水热炭的污泥相比脱水率更高。

表2

本发明中实施例9和实施例10关于成品污泥燃烧热值和污泥脱水率的计算标准来自于《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(gb/t24602-2009)中cj/t221标准，通过表2可明显观察出经过改性污泥基水热炭和chi-g-pam的掺杂后，实施例3污泥表现出优异的燃烧性能和脱水性能，改性污泥的脱水率和热值均高于常规脱水污泥。

上述实施例的作用在于具体介绍本发明的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本发明的保护范围局限于该具体实施例。